TW202316643A

TW202316643A - 光電探測器及積體電路

Info

Publication number: TW202316643A
Application number: TW110137913A
Authority: TW
Inventors: 蔣光浩
Original assignee: 鴻海精密工業股份有限公司
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2023-04-16

Abstract

本申請實施例提供一種光電探測器及積體電路。光電探測器，包括N型半導體層、P型半導體層、以及位於所述N型半導體層與所述P型半導體層之間光吸收層。其中，所述光吸收層包括由異質結構成的應變層，以增大所述光吸收層中的電荷載子的遷移率。

Description

光電探測器及積體電路

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種光電探測器及積體電路。

衡量光電探測器的一個重要參數為回應時間。其中，回應時間越短，意味器件具有越快的光回應速度。而隨著科技的發展，習知的光電探測器的回應速度還無法滿足人們的需求。

本申請實施例的第一方面提供一種光電探測器，其包括： N型半導體層； P型半導體層；以及光吸收層，位於所述N型半導體層與所述P型半導體層之間；其中，所述光吸收層包括由異質結構成的應變層。

光電探測器在反向偏壓的作用下會形成一個耗盡區，其中，耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）是影響光電探測器的回應時間的主要因素之一。耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）電荷載子的遷移率（μ _d）之間的關係可以用以下公式表示：t _d=W/v _d; v _d=μ _dE；W為耗盡區的寬度，v _d為電荷載子漂流速度，μ _d為電荷載子的遷移率，E為耗盡區的電場強度。可見，耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）與電荷載子的遷移率（μ _d）成反比，當電荷載子的遷移率被增大，光生電荷載子的渡越時間被降低，進而光電探測器的回應時間被降低，光電探測器的回應速度得到提升。本申請實施例的光電探測器，光吸收層（也稱本徵層）包括應變層，而應變層中產生的應變能夠增大光吸收層中的電荷載子的遷移率，藉此，可以降低光電探測器的回應時間，加快光電探測器的調製頻率，提升光電探測器的回應速度。

本申請實施例的第二方面提供一種積體電路，其包括上述的光電探測器。由於該積體電路包括上述的光電探測器，是故其同樣具有快的處理速度。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。

為能進一步闡述本發明達成預定目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施方式，對本發明作出如下詳細說明。

圖1為本申請一些實施例中，提供的光電探測器12的結構示意圖。如圖1所示，光電探測器12包括N型半導體層122、P型半導體層126、以及光吸收層124。光吸收層124位於所述N型半導體層122與所述P型半導體層126之間。其中，光吸收層124為本徵層，圖1中，光電探測器12為PIN光電二極體。可以理解，光電探測器12還包括與N型半導體層122直接接觸並電性連接的N型接觸電極（圖未示）及與P型半導體層126直接接觸並電性連接的P型接觸電極（圖未示）。當光電探測器12在反向偏壓的作用下，利用光電效應，其可以吸收入射的特定波長範圍光，並將其轉換為電流。

具體地，光電探測器在反向偏壓的作用下會形成一個耗盡區，其中，耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）是影響光電探測器的回應時間的主要因素之一。耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）電荷載子的遷移率（μ _d）之間的關係可以用以下公式表示：t _d=W/v _d; v _d=μ _dE；W為耗盡區的寬度，v _d為電荷載子漂流速度，μ _d為電荷載子的遷移率，E為耗盡區的電場強度。

可見，耗盡區的光生電荷載子的渡越時間（t _d）與電荷載子的遷移率（μ _d）成反比，當電荷載子的遷移率被增大，光生電荷載子的渡越時間被降低，進而光電探測器的回應時間被降低，光電探測器的回應速度得到提升。

本申請實施例的光電探測器12，光吸收層124包括由異質結構成的應變層，而應變層中產生的應變能夠增大光吸收層124中的電荷載子的遷移率，藉此，可以降低光電探測器12的回應時間，加快光電探測器12的調製頻率，提升光電探測器12的回應速度。

在本申請的一些實施例中，所述應變層中產生的為壓縮應變，以增大所述光吸收層124中的電洞的遷移率。例如，P型半導體層126的材料的晶格間距小於與其直接接觸的應變層的材料的晶格間距，P型半導體層126會在應變層中引起壓縮應變，以提升光吸收層124中的電洞的遷移率，進而提升光電探測器12的回應速度。

在本申請的一些實施例中，所述應變層中產生的為拉伸應變，以增大所述光吸收層124中的電子的遷移率。例如，N型半導體層122的材料的晶格間距大於與其直接接觸的應變層的材料的晶格間距，N型半導體層122會在應變層中引起拉伸應變，以提升光吸收層124中的電子的遷移率，進而提升光電探測器12的回應速度。

在本申請的一些實施例中，所述應變層為多量子阱層、超晶格層或量子點層。其中，多量子阱層及超晶格層均是由兩種極薄的不同材料的半導體連續週期性地交替生長的多層異質結構，每層薄膜習知含幾個以至幾十個原子層。當勢壘厚度（寬頻隙材料的厚度）＞20nm和勢壘高度大於0.5eV時，那麼複數阱中的電子行為如同單個阱中電子行為的總和，這種結構材料稱為多量子阱。如果勢壘比較薄或高度比較低，由於隧道效應，使阱中電子隧穿勢壘的幾率變得很大，勢阱中分立的子能級就形成了具有一定寬度的子能帶，這種材料稱為超晶格。而量子阱具有明顯量子局限效應（Quantum Confinement Effect）的電子或電洞的勢阱。粗略地說，量子阱只在一個維度上的尺寸在100nm以下，結構上可以近似認為是二維材料。量子點（Quantum Dot）是准零維（Quasi-zero-dimensional）的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100nm以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，是故量子局限效應特別顯著。

需要說明的是，多量子阱層、超晶格層或量子點層均會因為應變的引入，導致光電探測器12的能帶結構發生變化。藉此，可以增強光電探測器12的光量子效率和擴大光電探測器12能夠檢測的波長範圍。

在本申請的一些實施例中，所述N型半導體層122包括N型矽；所述應變層包括矽/鍺（Si/Ge）異質結、鍺/矽鍺（Ge/SiGe）異質結、矽/矽鍺（Si/SiGe）異質結、III-V族半導體或II-VI族半導體或其組合構成的異質結中的至少一種。其中，應變層可藉由外延生長於N型矽上。

例如，應變層為Si/Ge異質結，其可以採用外延生長於N型矽上形成連續週期性地交替生長的Si層與Ge層的多層結構。而應變層為Ge/SiGe異質結時，同樣可以採用外延生長於N型矽上形成連續週期性地交替生長的Ge層與SiGe層的多層結構。類似的，Si/SiGe異質結為連續週期性地交替生長的Si層與SiGe層的多層結構。而III-V族半導體例如可以為GaAs，InGaAs，InP，GaN等，其同樣可以採用外延生長於N型矽上。II-VI族半導體例如可以為CdTe。

在本申請的一些實施例中，所述P型半導體層126包括P型矽鍺（SiGe）層。其中，所述P型矽鍺層可以為梯度摻雜的或者所述P型矽鍺層的不同位置具有不同矽鍺比。例如，P型矽鍺層其摻雜濃度可以為沿其厚度方向，與應變層接觸的位置摻雜濃度最小，然後逐漸增大；或者沿其厚度方向，與應變層接觸的位置摻雜濃度最大，然後逐漸增小；或者，沿其厚度方向，先變大後變小，在此不作限定。同樣的，P型矽鍺層的不同位置可以具有不同矽鍺比，以提升器件的性能。於其他實施例中，P型矽鍺層中的摻雜濃度也可以為特定不變的，P型矽鍺層中的矽鍺比也可以為特定不變的。

在本申請的一些實施例中，所述應變層為鍺/矽鍺異質結或矽/矽鍺異質結，所述光電探測器12的工作波長範圍為400nm~1600nm。

由於矽的禁帶寬度為1.12eV，使得傳統的矽基光電探測器的檢測波長範圍為400nm~1100nm（如圖2所示）。而鍺的禁帶寬度為0.67eV，使得傳統的鍺基光電探測器的檢測波長範圍為800nm~1600nm（如圖2所示）。該光電探測器12，當其應變層為Ge/SiGe異質結或Si/SiGe異質結時，其可以藉由調整矽鍺的組分比例來控制和擴大光電探測器12的檢測波長範圍，使得其工作波長範圍為400nm~1600nm，使得大於1100nm的紅外光也可以被檢測到。

在本申請的一些實施例中，所述光電探測器12為PIN光電二極體或者雪崩二極體。其中，光吸收層124作為PIN光電二極體或者雪崩二極體的本徵層（I型層）。當光電探測器12為雪崩二極體時，還包括雪崩區，以利用電荷載子的雪崩倍增效應來放大光電訊號以提高檢測的靈敏度。

本申請的一些實施例中，還提供一種積體電路100。如圖3所示，積體電路100包括圖像感測器10及其他電子元器件20，所述圖像感測器10包括複數光電探測器12。光電探測器12可以作為圖像感測器10的感光元件，以將光訊號轉換為電訊號。由於該積體電路100包括上述的光電探測器12，是故其同樣具有快的處理速度。積體電路100可以為3D封裝結構。圖像感測器10可以為前照式（frontside illumination, FSI）圖像感測器或背照式（backside illumination, BSI）圖像感測器。其他電子元器件20可以為薄膜電晶體、電阻、電容等。

以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神及範圍。

100:積體電路 10:圖像感測器 12:光電探測器 122:N型半導體層 124:光吸收層 126:P型半導體層 20:其他電子元器件

圖1為本申請一些實施例中，提供的光電探測器的結構示意圖。

圖2為各材料的回應波長與回應度之間的關係曲線圖。

圖3為本申請一些實施例中，提供的積體電路的結構示意圖。

12:光電探測器

122:N型半導體層

124:光吸收層

126:P型半導體層

Claims

一種光電探測器，其改良在於，包括： N型半導體層； P型半導體層；以及光吸收層，位於所述N型半導體層與所述P型半導體層之間；其中，所述光吸收層包括由異質結構成的應變層。
如請求項1所述的光電探測器，其中，所述應變層中產生的為壓縮應變。
如請求項1所述的光電探測器，其中，所述應變層中產生的為拉伸應變。
如請求項1至3中任意一項所述的光電探測器，其中，所述應變層為多量子阱層、超晶格層或量子點層。
如請求項4所述的光電探測器，其中，所述N型半導體層包括N型矽；所述應變層包括矽/鍺異質結、鍺/矽鍺異質結、矽/矽鍺異質結、III-V族半導體或II-VI族半導體或其組合構成的異質結中的至少一種。
如請求項5所述的光電探測器，其中，所述P型半導體層包括P型矽鍺層。
如請求項6所述的光電探測器，其中，所述P型矽鍺層為梯度摻雜的或者所述P型矽鍺層的不同位置具有不同矽鍺比。
如請求項5所述的光電探測器，其中，所述應變層為鍺/矽鍺異質結或矽/矽鍺異質結，所述光電探測器的工作波長範圍為400nm~1600nm。
如請求項1所述的光電探測器，其中，所述光電探測器為PIN光電二極體或者雪崩二極體。
一種積體電路，其中，包括圖像感測器，所述圖像感測器包括如請求項1至9中任意一項所述的光電探測器。